WO2011054513A1 - V-motor - Google Patents

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WO2011054513A1
WO2011054513A1 PCT/EP2010/006719 EP2010006719W WO2011054513A1 WO 2011054513 A1 WO2011054513 A1 WO 2011054513A1 EP 2010006719 W EP2010006719 W EP 2010006719W WO 2011054513 A1 WO2011054513 A1 WO 2011054513A1
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WO
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engine
exhaust gas
charge air
cylinder bank
low
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/006719
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English (en)
French (fr)
Inventor
Rolf Gunkel
Felix Henssler
Johannes Hiry
Jörg Andre REITZ
Martin Wiedmann
Original Assignee
Mtu Friedrichshafen Gmbh
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Publication date
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Priority to US13/508,536 priority patent/US9175602B2/en
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B67/00—Engines characterised by the arrangement of auxiliary apparatus not being otherwise provided for, e.g. the apparatus having different functions; Driving auxiliary apparatus from engines, not otherwise provided for
    • F02B67/10—Engines characterised by the arrangement of auxiliary apparatus not being otherwise provided for, e.g. the apparatus having different functions; Driving auxiliary apparatus from engines, not otherwise provided for of charging or scavenging apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B29/00—Engines characterised by provision for charging or scavenging not provided for in groups F02B25/00, F02B27/00 or F02B33/00 - F02B39/00; Details thereof
    • F02B29/04—Cooling of air intake supply
    • F02B29/0406—Layout of the intake air cooling or coolant circuit
    • F02B29/0412—Multiple heat exchangers arranged in parallel or in series
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B29/00—Engines characterised by provision for charging or scavenging not provided for in groups F02B25/00, F02B27/00 or F02B33/00 - F02B39/00; Details thereof
    • F02B29/04—Cooling of air intake supply
    • F02B29/045—Constructional details of the heat exchangers, e.g. pipes, plates, ribs, insulation, materials, or manufacturing and assembly
    • F02B29/0475—Constructional details of the heat exchangers, e.g. pipes, plates, ribs, insulation, materials, or manufacturing and assembly the intake air cooler being combined with another device, e.g. heater, valve, compressor, filter or EGR cooler, or being assembled on a special engine location
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/013—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust with exhaust-driven pumps arranged in series
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/16—Engines characterised by number of cylinders, e.g. single-cylinder engines
    • F02B75/18—Multi-cylinder engines
    • F02B75/22—Multi-cylinder engines with cylinders in V, fan, or star arrangement
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a V-type engine according to the preamble of claim 1.
  • turbochargers with an exhaust gas turbocharger per cylinder bank, e.g. according to EP 0 952 329 A2, as well as those with multi-stage charging, e.g. several turbochargers per cylinder bank.
  • the present invention seeks to propose a low-emission engine, in particular a motor in the power range greater than 500kW, which overcomes the above-mentioned disadvantages and allows an extremely compact design, in particular by the arrangement of the charging system.
  • a V-type engine in particular a diesel engine, having a first and a second cylinder bank
  • the V-engine is designed for two-stage charging by means of a low-pressure exhaust gas turbocharger and a high-pressure exhaust gas turbocharger, one low pressure exhaust gas turbocharger and one high-pressure turbocharger each on a cylinder bank is arranged above a main output member of the V-engine.
  • the V-engine in a first and a second charge air line for guiding a charge air flow in each case in the flow direction on a low-pressure compressor, a Swissla- deluftkühler and a high-pressure compressor, each one low-pressure compressor each in a low-pressure exhaust gas turbocharger and one each High-pressure compressor is arranged in each case in a high-pressure exhaust gas turbocharger, and wherein the first and the second charge air line are combined to a main intercooler, wherein each charge air flow is guided downstream of the main intercooler to the first and second cylinder bank, and wherein each provided an exhaust gas recirculation, each with an exhaust gas recirculator per cylinder bank is, by means of which cooled exhaust gas of the respective cylinder bank in the charge air flow to the respective cylinder bank downstream of the main charge air cooler can be introduced.
  • the V-engine per cylinder bank has an exhaust-gas recooler arranged above a cylinder head.
  • an intermediate intercooler is provided on each cylinder bank, which is arranged between each arranged on the respective cylinder bank exhaust gas recirculator and the front side arranged low-pressure and Hoch Kunststoffabgasturboladern the cylinder bank.
  • a main intercooler between the arranged above a cylinder head per cylinder bank exhaust gas recirculators is arranged, in particular between the legs of the V-shape of the V-engine is arranged.
  • exhaust gas in particular cooled exhaust gas
  • a respective cylinder bank by means of a mixer element into a charge air flow downstream of the main charge air cooler.
  • a V-type engine is proposed, wherein the mixer element is arranged on an end face of the main charge air cooler facing away from the main output element.
  • the exhaust gas recoolers and / or the high-pressure exhaust gas turbocharger and / or the low-pressure exhaust gas turbocharger and / or the main charge air cooler and / or the Eisenladf Kunststoffkühler are arranged symmetrically to a central axis A of the V engine.
  • the low-pressure turbochargers and the high-pressure turbochargers are arranged on a force side of the V-engine.
  • V-engine, the low-pressure compressor of the first and second Niederdruckabgasturboladers are connected by means of an intermediate intake housing.
  • V-engine is ever a low-pressure turbocharger, each with a Hochdruckabgasturbolader connected in series on each cylinder bank, in particular the front side, arranged.
  • 1 shows by way of example a charge air and exhaust gas flow diagram in a V-engine according to a possible embodiment of the invention
  • 2 shows an example of a representation of the V-engine in an end view according to a possible embodiment of the invention.
  • FIG. 3 shows an example of a representation of the V-engine of Figure 2 in a plan view ..;
  • FIG. 4 shows an example of a representation of the V-engine of Fig. 2 in a side view.
  • a V-type engine 1 is provided according to the invention (for example, FIGS.
  • the V-type engine 1 faces, e.g. As a rule, an in-line engine has shorter longitudinal dimensions and is suitable for a compact design.
  • the V-type engine 1, e.g. a diesel engine or a gasoline engine in a known manner comprises a first 2 and a second 3 cylinder bank, which may have a bank angle between theoretically 1 to 180 degrees, e.g. have a bank angle of 90 degrees.
  • the V-engine 1 according to the invention e.g. a motor with a high power over 500kW, has an arrangement for increasing performance, in particular for controllable performance increase, by charging (engine charging) on.
  • a two-stage, e.g. two-stage regulated charging where an exhaust gas flow e.g. each a first e.g. High-pressure exhaust gas turbocharger flows on and subsequently a low pressure exhaust gas turbocharger.
  • a control can e.g. via a bypass in a known manner.
  • the V-engine 1 is charged in two stages by means of a first 4 and a second 5 low-pressure exhaust gas turbocharger and by means of a first 6 and a second 7 Hochttingabgasturboladers.
  • each of the first Niederlichabgasturbolader 4 and the first Hoch Kunststoffabgasturbolader 6 are arranged on, for example, the first cylinder bank 2 and the second Niederchristabgasturbolader 5 and the second Hoch Kunststoffabgasturbolader 7 on the second cylinder bank 3, such that initially two charge air strands 8 and 9 are formed, the downstream can be merged into a single charge air line.
  • the first exhaust gas turbochargers 4, 6 and the second exhaust gas turbochargers 5, 7 are each driven, for example, exclusively by an exhaust gas stream of the respective cylinder bank 2, 3, wel rather, they are associated with each other, for example by means of their turbine wheels arranged in the respective exhaust gas stream.
  • a low-pressure compressor 10 can be driven in a known manner in the low-pressure turbocharger 4 or 5, or in each case a high-pressure turbocharger 6, 7 a high-pressure compressor 11.
  • one respective low-pressure turbocharger 4 or 5 is connected in series with one high-pressure turbocharger 6 or 7 each to a cylinder bank 2 or 3 in order to realize the two-stage charging, i. an exhaust gas stream starting from each e.g. a cylinder bank 2, 3 first flows through the e.g. High pressure exhaust gas turbocharger 6 or 7 and drives them to then flow to the low pressure turbocharger 4 and 5 and drive.
  • a high-pressure exhaust gas turbocharger 6 or 7 and one low-pressure turbocharger 4 or 5 are each connected in series with respect to their (drive) turbines or their flow, ie. drivingly connected in series.
  • the V-engine 1 in the context of the proposed two-stage, in particular regulated, charging in addition to the exhaust gas turbochargers 4, 5, 6, 7, for. an exhaust gas recirculation with an exhaust gas recooler, an intermediate charge air cooler and a main charge air cooler.
  • An exemplary arrangement according to the invention in connection with the (engine) charging is explained below with reference to FIG.
  • the V-type engine 1 has e.g. a first 8 and a second 9 charge air (line) strand, which is in each case provided for guiding the charge air 12 in the direction of (the combustion chambers) of a cylinder bank 2, 3.
  • 9 components for cooling and compression of the charge air 12 are arranged.
  • each charge air line 8 or 9 has a low-pressure compressor 10 on the inlet or suction side, e.g. each of a low-pressure exhaust gas turbocharger 4 and 5.
  • the supercharged by means of a low-pressure compressor 10 charge air is a downstream (in the flow direction to a cylinder bank 2, 3) arranged insects slaughterhouse 13 and fed by means of a respective high-pressure compressor 11, e.g. each of a Hoch Kunststoffabgasturboladers 6 and 7, further compressed or
  • the thus compressed charge air 12 of the first 8 and second 9 charge air line is brought together and cooled by means of a downstream main charge air cooler 14 again. Cooling by means of the intermediate charge air cooler 13 and the main charge air cooler 14 achieves low-NOx combustion by lowering the combustion temperature in a combustion chamber.
  • the cooled by means of the main charge air cooler 14 charge air 12 is divided downstream of the main charge air cooler 14 in a first 15 and a second 16 (partial) charge air flow, each of a cylinder bank 2, 3 (with eg 3 or more cylinders 2a and 3a) for the purpose be supplied to the combustion.
  • the exhaust gas 17 respectively occurring in the course of combustion in a cylinder bank 2, 3 is conveyed by means of an exhaust gas recirculation 18, e.g. in each case in the first 15 and second 16, the (inter) charge air flow downstream of the main charge air cooler 14 is proportionally supplied, e.g. to adjust the firing temperature for the purpose of low-emission combustion. It is also conceivable to introduce the exhaust gas 17 into a common charge air flow upstream of the branching into partial air flows.
  • the exhaust gas recirculation 18 is each as e.g. Bypass trained and has e.g. one each, e.g. each exactly one, exhaust gas recooler 19 to reduce the exhaust gas temperature, whereby the combustion temperature due to an introduction of the thus cooled exhaust gas in the first or second charge air stream 15 and 16 again lowered and a nitrogen oxide emissions can be further reduced.
  • the exhaust gas recooler 19 is e.g. a known exhaust gas recooler, e.g. with a stainless steel cooling element, which e.g. cools by means of cooling water.
  • the invention provides, the low-pressure turbocharger 4 and 5 and the Hoch horrabgasturbolader 6 and 7 frontally to the cylinder banks 2, 3 of the V-motor 1 to arrange, in particular to each For example, in particular in each case on the force side 20, on which a main output element 23 is arranged, the end faces of the cylinder banks 2, 3 located on the same side of the V-engine 1.
  • An outer end of the V-engine 1 or the cylinder bank 2, 3 in the direction of the adjacent cylinders (2 a, 3 a) of a cylinder bank 2 or 3 (in the X-direction) is designated on the front side.
  • each a low-pressure turbocharger 4 or 5 together with one high-pressure turbocharger 6 and 7 is arranged on the front side of each cylinder bank 2 and 3 respectively.
  • a low-pressure exhaust gas turbocharger 4 or 5 is in each case eg in series with one each
  • High pressure exhaust gas turbocharger 6 and 7 arranged.
  • the V-engine e.g. at the level of the cylinder head 25, arranged, e.g. together with other components for charging, e.g. a Ansaug perspective.
  • the low-pressure exhaust gas turbochargers 4, 5 as well as the high-pressure exhaust gas turbochargers 6, 7 are in this case in particular above the main driven element 23, which is e.g. can be formed by means of a flywheel 23a of the V-engine 1, arranged, ie in the direction of an oil pan 24 out (Z direction) to the cylinder head 25 above the main output element 23.
  • the term main output element 23 designates the element which is used to transmit the most of the engine energy is provided on an element to be driven (shaft, flywheel, etc).
  • exhaust recirculation cooler 19 for example, in each case exactly one exhaust gas recooler 19, in each case above a cylinder head 25 each cylinder bank 2, 3 to arrange.
  • the exhaust gas recooler 19 are each arranged in particular such that between an exhaust gas turbochargers 4, 6 and 5, 7 facing the end of an exhaust gas cooler 19 and the exhaust gas turbochargers 4, 6 and 5, 7 respectively an installation space is formed or opened, the recording or arrangement of a Swissladeluftkühlers 13 allows.
  • a Swissladeluftkühler 13 is insofar in each case on or over (in the Z direction) of a cylinder bank 2, 3 each between an exhaust gas recooler 19 and high-pressure or Niederbuchabgastur- boladem 4, 6 or 5, 7 arranged, for example, in the direction of the power opposite side 26 to the power side 20 (X direction) between them.
  • the exhaust gas cooler 19 for. each with its longitudinal axis A aligned in the X direction, such that at a e.g. Front side 27 of the exhaust-gas recooler 19 arranged connections 19a for the exhaust gas supply or exhaust gas discharge are respectively arranged in the direction of the force or force side, preferably, for. towards the force opposite.
  • the intermediate charge air cooler 13 is e.g. each to be arranged such that each e.g. arranged on an end face 28 terminals 13a for a high and low pressure compressor 11 and 10 offset by 90 degrees to the X and Z direction are arranged (Y direction).
  • the invention provides for the realization of an extremely compact, low-emission V-engine 1, a main charge air cooler 14, in particular e.g. to arrange exactly one main charge air cooler 14, between the first 2 and the second 3 cylinder bank, e.g. between the legs of the V in the V-shape formed by the cylinder banks 2, 3.
  • the main charge air cooler 14 is arranged in particular between the exhaust gas recoolers 19 of the first and the second cylinder bank, ie in the direction of the first cylinder bank 2 to the second cylinder bank 3 between the exhaust gas recoolers 19 (Y direction).
  • charge air inlets and outlets 14a of the main charge air cooler 14 are e.g.
  • line elements for the charge air duct can also be arranged between the cylinder banks 2, 3 and thus in the sense of a small-sized arrangement.
  • a mixer element z. B. in the form of a mixer housing 29, for example, exactly one mixer housing 29 is provided.
  • a mixer housing 29 allows the ordered metered addition or mixture the exhaust gas 17 with the compressed charge air.
  • the mixer housing 29 is arranged, for example, on a side facing away from the exhaust-gas turbochargers 4, 5, 6, 7, eg a (force-side) end face 30 of the main charge air cooler 14, for example between the legs of the V-shape and the first 2 and second 3, respectively cylinder bank.
  • the mixer housing 29 is further provided, for example, to divide the charge air flow 12, which is brought together at the main charge air cooler 14, to form the first 15 and second 16 charge air flows for each cylinder bank 2, 3.
  • the mixer housing 29 is arranged, for example, in such a way that its connections 29a for the flow or charge air discharge are aligned essentially in the X direction, the connections for the charge air discharge being oriented, for example, in the direction of the opposite side of the force.
  • an extremely compact V-type engine 1 can be realized.
  • the arrangement of the exhaust gas turbocharger 4, 5, 6, 7 and / or the exhaust gas recooler 19 and / or the intermediate charge air cooler 13 and / or the main charge air cooler 14 is provided symmetrically to a central axis B of the V-engine 1 in the X direction.
  • These are e.g. two exhaust-gas recirculating coolers 19, two intermediate-charge air coolers 13 and / or two exhaust-gas turbochargers 4, 5 and 6, 7 each along the axis B.

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Abstract

V-Motor (1), insbesondere ein Dieselmotor, mit einer ersten (2) und einer zweiten (3) Zylinderbank, wobei der V-Motor (1) zur zweistufigen Aufladung mittels eines Niederdruckabgasturboladers (4, 5) sowie eines Hochdruckabgasturboladers (6, 7) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass je ein Niederdruckabgasturbolader (4, 5) sowie je ein Hochdruckabgasturbolader (6, 7) stirnseitig je an einer Zylinderbank (2, 3) über einem Hauptabtriebselement (23) des V-Motors (1) angeordnet ist.

Description

V-Motor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen V-Motor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Im Stand der Technik ist es bekannt, Brennkraftmaschinen bzw. Motoren auch hoher Leistung aufzuladen, z.B. mittels mechanischen Ladern oder Abgasturboladern. Derartige Motoren sind z.B. Diesel-Motoren, wie z.B. Schiffsantriebs- oder Industriemotoren, z.B. mit einer Leistung im Bereich mehrerer hundert kW. Es sind dabei sowohl Aufladesysteme mit einem Abgasturbolader je Zylinderbank z.B. gemäß der EP 0 952 329 A2 bekannt, als auch solche mit mehrstufiger Aufladung, z.B. mehreren Turboladern je Zylinderbank.
Auch auf dem Gebiet solcher leistungsstarker Brennkraftmaschinen sind zukünftig strengere Abgasnormen zu erfüllen. Um den Emissionsvorgaben bzw. Anforderungen gerecht zu werden, z.B. der Abgasnorm EPA TIER 4, muss eine Brennkraftmaschine der fraglichen Art mittels z.B. emissionsreduzie- render Technologien entsprechend ausgebildet werden, wobei der Bedarf an
Bauraum regelmäßig erheblich ist.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen emissionsarmen Motor vorzuschlagen, insbesondere einen Motor im Leistungsbereich größer 500kW, welcher oben genannte Nachteile überwindet und eine äußerst kompakte Bauweise insbesondere durch die Anordnung des Aufladesystems ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein V-Motor, insbesondere ein Dieselmotor, mit einer ersten und einer zweiten Zylinderbank, wobei der V-Motor zur zweistufigen Aufladung mittels eines Niederdruckabgasturboladers sowie eines Hochdruckabgasturboladers ausgebildet ist, wobei je ein Niederdruckabgasturbolader sowie je ein Hochdruckabgasturbolader stirnseitig je an einer Zylinderbank über einem Hauptabtriebselement des V-Motors angeordnet ist. Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des V-Motors weist der V- Motor in einem ersten und einem zweiten Ladeluftstrang zur Führung eines Ladeluftstroms jeweils in Strömungsrichtung einen Niederdruckverdichter, einen Zwischenla- deluftkühler sowie einen Hochdruckverdichter auf, wobei je ein Niederdruckverdichter je in einem Niederdruckabgasturbolader und je ein Hochdruckverdichter je in einem Hochdruckabgasturbolader angeordnet ist, und wobei der erste und der zweite Ladeluftstrang an einen Hauptladeluftkühler zusammengeführt sind, wobei je ein Ladeluftstrom stromabwärts des Hauptladeluftkühlers an die erste und zweite Zylinderbank geführt wird, und wobei je eine Abgasrückführung mit je einem Abgasrückkühler je Zylinderbank vorgesehen ist, mittels welcher gekühltes Abgas der jeweiligen Zylinderbank in den Ladeluftstrom zur jeweiligen Zylinderbank stromabwärts des Hauptladeluftkühlers einbringbar ist.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform des V-Motors weist der V-Motor je Zylinderbank einen über einem Zylinderkopf angeordneten Abgasrückkühler auf.
Bei noch einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform des V-Motors ist an jeder Zylinderbank ein Zwischenladeluftkühler vorgesehen, welcher zwischen je einem an der jeweiligen Zylinderbank angeordneten Abgasrückkühler und den stirnseitig angeordneten Niederdruck- und Hochdruckabgasturboladern der Zylinderbank angeordnet ist.
Weiterhin ist bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des V-Motors vorgesehen, dass ein Hauptladeluftkühler zwischen den über einem Zylinderkopf je einer Zylinderbank angeordneten Abgasrückkühlern angeordnet ist, insbesondere zwischen den Schenkeln der V-Form des V-Motors angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform des V-Motors wird Abgas, insbesondere gekühltes Abgas, von je einer Zylinderbank mittels eines Mischerelements in einen Ladeluftstrom stromabwärts des Hauptladeluftkühlers eingebracht. Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein V-Motor, wobei das Mischerelement an einer dem Hauptabtriebselement abgewandten Stirnseite des Hauptladeluftküh- lers angeordnet ist.
Bei einem Aspekt des erfindungsgemäßen V-Motors sind die Abgasrückkühler und/oder die Hochdruckabgasturbolader und/oder die Niederdruckabgasturbolader und/oder der Hauptladeluftkühler und/oder die Zwischenladeluftkühler symmetrisch zu einer Mittelachse A des V-Motors angeordnet.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform des V-Motors sind die Niederdruckabgasturbolader sowie die Hochdruckabgasturbolader an einer Kraftseite des V-Motors angeordnet.
Bei noch einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform des V-Motors sind die Niederdruckverdichter des ersten und zweiten Niederdruckabgasturboladers mittels eines dazwischen angeordneten Ansauggehäuses verbunden.
Gemäß noch einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform des V- Motors ist je ein Niederdruckabgasturbolader mit je einem Hochdruckabgasturbolader in Reihe geschaltet an je einer Zylinderbank, insbesondere stirnseitig, angeordnet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 exemplarisch ein Ladeluft- und Abgas-Strömungsdiagramm in einem V- Motor gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2 exemplarisch eine Darstellung des V-Motors in einer Stirnansicht gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 exemplarisch eine Darstellung des V-Motors von Fig. 2 in einer Draufsicht;
Fig. 4 exemplarisch eine Darstellung des V-Motors von Fig. 2 in einer Seitenansicht.
In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
Um eine kompakte Bauform einer Brennkraftmaschine zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß ein V-Motor 1 vorgesehen (z.B. Fig.1 , 2). Der V-Motor 1 weist gegenüber z.B. einem Reihenmotor in der Regel kürzere Längsabmessungen auf und eignet sich für eine kompakte Bauform. Der V-Motor 1 , z.B. ein Dieselmotor oder ein Benzinmotor, weist auf bekannte Weise eine erste 2 und eine zweite 3 Zylinderbank auf, die einen Bankwinkel zwischen theoretisch 1 bis 180 Grad aufweisen können, z.B. einen Bankwinkel von 90 Grad aufweisen. Der erfindungsgemäße V-Motor 1 , z.B. ein Motor mit einer hohen Leistung über 500kW, weist eine Anordnung zur Leistungssteigerung, insbesondere zur regelbaren Leistungssteigerung, durch Aufladung (Motoraufladung) auf. Vorgesehen ist insbesondere eine zweistufige, z.B. zweistufig geregelte, Aufladung, wobei ein Abgasstrom z.B. jeweils einen ersten z.B. Hochdruck- Abgasturbolader anströmt und nachfolgend z.B. einen Niederdruck- Abgasturbolader. Eine Regelung kann dabei z.B. über einen Bypass auf bekannte Weise erfolgen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den V-Motor 1 mittels eines ersten 4 und eines zweiten 5 Niederdruckabgasturboladers sowie mittels eines ersten 6 und eines zweiten 7 Hochdruckabgasturboladers zweistufig aufzuladen. Dazu werden z.B. jeweils der erste Niederdruckabgasturbolader 4 und der erste Hochdruckabgasturbolader 6 an z.B. der ersten Zylinderbank 2 angeordnet und der zweite Niederdruckabgasturbolader 5 und der zweite Hochdruckabgasturbolader 7 an der zweiten Zylinderbank 3, derart, dass zunächst zwei Ladeluftstränge 8 bzw. 9 gebildet werden, die stromabwärts zu einem einzigen Ladeluftstrang zusammengeführt werden können. Die ersten Abgasturbolader 4, 6 sowie die zweiten Abgasturbolader 5, 7 werden dabei jeweils z.B. ausschließlich von einem Abgasstrom der jeweiligen Zylinderbank 2, 3 angetrieben, wel- eher sie zugeordnet sind, z.B. je mittels ihrer im jeweiligen Abgasstrom angeordneten Turbinenräder. Mittels eines derartigen Turbinenrads ist im Niederdruckabgasturbolader 4 bzw. 5 jeweils ein Niederdruckverdichter 10 auf bekannte Weise antreibbar, bzw. im Hochdruckabgasturbolader 6, 7 jeweils ein Hochdruckverdichter 11.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass je ein Niederdruckabgasturbolader 4 bzw. 5 mit je einem Hochdruckabgasturbolader 6 bzw. 7 an je einer Zylinderbank 2 bzw. 3 in Reihe geschaltet ist, um die zweistufige Aufladung zu realisieren, d.h. ein Abgasstrom ausgehend von je z.B. einer Zylinderbank 2, 3 durchströmt zunächst den z.B. Hochdruckabgasturbolader 6 bzw. 7 und treibt diesen an, um anschließend den Niederdruckabgasturbolader 4 bzw. 5 anzuströmen und anzutreiben. Insofern sind je ein Hochdruckabgasturbolader 6 bzw. 7 und je ein Niederdruckabgasturbolader 4 bzw. 5 hinsichtlich ihrer (Antriebs-)Turbinen bzw. deren Anströmung in Reihe geschaltet, i.e. antriebsmäßig in Reihe geschaltet.
Um z.B. strenge Abgasnormen, z.B. die Abgasnorm EPA TIER 4 i oder EPA TIER 4 final zu erfüllen, weist der V-Motor 1 im Rahmen der vorgesehenen zweistufigen, insbesondere geregelten, Aufladung neben den Abgasturboladern 4, 5, 6, 7 z.B. eine Abgasrückführung mit einem Abgasrückkühler auf, einen Zwischenladeluftkühler und einen Hauptladeluftkühler. Eine beispielhafte erfindungsgemäße Anordnung derselben im Zusammenhang mit der (Motor-)Auf- ladung wird nachfolgend anhand Fig. 1 erläutert.
Der V-Motor 1 weist, wie oben erwähnt, z.B. einen ersten 8 und einen zweiten 9 Ladeluft-(Leitungs-)Strang auf, welcher jeweils zur Führung der Ladeluft 12 in Richtung (der Brennkammern) einer Zylinderbank 2, 3 vorgesehen ist. In dem jeweiligen Ladeluft-Leitungsstrang 8, 9 sind Komponenten zur Kühlung und Verdichtung der Ladeluft 12 angeordnet. Vorliegend weist je ein Ladeluftstrang 8 bzw. 9 eingangs- bzw. ansaugseitig einen Niederdruckverdichter 10 auf, z.B. je eines Niederdruckabgasturboladers 4 bzw. 5. Die mittels eines Niederdruckverdichters 10 vorverdichtete Ladeluft wird einem stromabwärts (in Strömungsrichtung zu einer Zylinderbank 2, 3) angeordneten Zwischenladeluftkühler 13 zugeführt und mittels eines jeweiligen Hochdruckverdichters 11 , z.B. jeweils eines Hochdruckabgasturboladers 6 bzw. 7, weiter verdichtet bzw.
komprimiert. Die derart verdichtete Ladeluft 12 des ersten 8 und zweiten 9 Ladeluftstrangs wird zusammengeführt und mittels eines stromabwärts angeordneten Hauptladeluftkühlers 14 erneut abgekühlt. Durch die Kühlung mittels der Zwi- schenladeluftkühler 13 und des Hauptladeluftkühlers 14 wird eine stickoxidarme bzw. -reduzierte Verbrennung durch Absenken der Verbrennungstemperatur in einer Brennkammer erreicht.
Die mittels des Hauptladeluftkühlers 14 abgekühlte Ladeluft 12 wird stromabwärts des Hauptladeluftkühlers 14 in einen ersten 15 und einen zweiten 16 (Teil-)Ladeluftstrom geteilt, welche jeweils einer Zylinderbank 2, 3 (mit z.B. jeweils 3 oder mehr Zylindern 2a bzw. 3a) zum Zwecke der Verbrennung zugeführt werden. Das im Zuge einer Verbrennung in einer Zylinderbank 2, 3 jeweils anfallende Abgas 17 wird mittels einer Abgasrückführung 18 z.B. jeweils in den ersten 15 bzw. zweiten 16, sich dem Hauptladeluftkühler 14 stromabwärts anschließenden (Teil-)Ladeluftstrom anteilig zugeführt, z.B. um die Brenntemperatur zum Zwecke einer emissionsarmen Verbrennung einzustellen. Es ist auch denkbar, das Abgas 17 in einen gemeinsamen Ladeluftstrom vor der Verzweigung in Teilladeluftströme einzuleiten.
Die Abgasrückführung 18 ist je als z.B. Bypass ausgebildet und weist z.B. jeweils einen, z.B. jeweils genau einen, Abgasrückkühler 19 zur Senkung der Abgastemperatur auf, womit die Verbrennungstemperatur infolge einer Einleitung des derart abgekühlten Abgases in den ersten oder zweiten Ladeluftstrom 15 bzw. 16 wiederum abgesenkt und ein Stickoxidausstoß weiter reduziert werden kann. Der Abgasrückkühler 19 ist z.B. ein bekannter Abgasrückkühler, z.B. mit einem Edelstahl-Kühlelement, welcher z.B. mittels Kühlwasser kühlt.
Um den V-Motor 1 mit den angestrebten kompakten Abmessungen realisieren zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Niederdruckabgasturbolader 4 bzw. 5 sowie die Hochdruckabgasturbolader 6 bzw. 7 stirnseitig an den Zylinderbänken 2, 3 des V-Motors 1 anzuordnen, insbesondere an jeweils an derselben Seite des V-Motors 1 befindlichen Stirnseiten der Zylinderbänke 2, 3, z.B. insbesondere jeweils an der Kraftseite 20, an welcher ein Hauptabtriebselement 23 angeordnet ist. Stirnseitig bezeichnet dabei ein Außenende des V-Motors 1 bzw. der Zylinderbank 2, 3 in Richtung der nebeneinander liegenden Zylinder (2a, 3a) einer Zylinderbank 2 bzw. 3 (in X-Richtung). Die An- Ordnung erfolgt dabei insbesondere z.B. derart, dass je ein Niederdruckabgasturbolader 4 bzw. 5 zusammen mit je einem Hochdruckabgasturbolader 6 bzw. 7 stirnseitig an je einer Zylinderbank 2 bzw. 3 angeordnet ist. Ein Niederdruckabgasturbolader 4 bzw. 5 ist dabei jeweils z.B. in Reihe mit jeweils einem
Hochdruckabgasturbolader 6 bzw. 7 angeordnet.
Dabei werden je ein Niederdruckabgasturbolader 4 bzw. 5 und je ein Hochdruckabgasturbolader 6 bzw. 7 an einer Zylinderbank 2, 3 jeweils z. B. am oberen Ende des V-Motors 1 , z.B. in Höhe des Zylinderkopfes 25, angeordnet, z.B. zusammen mit weiteren Komponenten zur Aufladung, z.B. einem Ansaugbzw. Ladelufteintrittsgehäuse 21 , welches zwischen den Niederdruckverdichtern 10 des ersten 4 und zweiten 5 Niederdruckabgasturboladers angeordnet sein kann, Leitungs- bzw. Verbindungsrohren 22, Druckdosen, etc.
Die Niederdruckabgasturbolader 4, 5 ebenso wie die Hochdruckabgasturbolader 6, 7 sind dabei insbesondere über dem Hauptabtriebselement 23, welches z.B. mittels eines Schwungrads 23a des V-Motors 1 ausgebildet sein kann, angeordnet, also in Richtung von einer ölwanne 24 hin (Z-Richtung) zu dem Zylinderkopf 25 oberhalb des Hauptabtriebselements 23. Der Begriff Hauptabtriebselement 23 bezeichnet dabei das Element, welches zur Übertragung des größten Teils der Motorenergie auf ein anzutreibendes Element vorgesehen ist (Welle, Schwungrad, etc). Durch eine derartige erfindungsgemäße Anordnung bleiben auf der Kraftgegenseite 26 (Lüfterseite) angeordnete Komponenten wie z.B. Ölfilter, Kraftstofffilter etc. zugänglich, wodurch die Servicefreundlichkeit gesteigert wird.
Ferner ist zur Realisierung der kompakten Abmessungen des V-Motors 1 vorgesehen, Abgasrückkühler 19, z.B. jeweils genau einen Abgasrückkühler 19, jeweils über einem Zylinderkopf 25 je einer Zylinderbank 2, 3 anzuordnen. Die Abgasrückkühler 19 werden insbesondere jeweils derart angeordnet, dass zwischen einem den Abgasturboladern 4, 6 bzw. 5, 7 zugewandten Ende eines Abgasrückkühlers 19 und den Abgasturboladern 4, 6 bzw. 5, 7 jeweils ein Einbauraum gebildet bzw. eröffnet wird, der die Aufnahme bzw. Anordnung eines Zwischenladeluftkühlers 13 ermöglicht. Ein Zwischenladeluftkühler 13 ist insofern jeweils auf bzw. über (in Z-Richtung) einer Zylinderbank 2, 3 jeweils zwischen einem Abgasrückkühler 19 und Hochdruck- bzw. Niederdruckabgastur- boladem 4, 6 bzw. 5, 7 angeordnet, z.B. in Richtung von der Kraftgegenseite 26 zur Kraftseite 20 (X-Richtung) zwischen denselben.
Erfindungsgemäß ist, insbesondere zum Zwecke einer kompakt bauenden, platzsparenden Leitungsanordnung, z.B. zur Führung der Ladeluft, vorgesehen, den Abgasrückkühler 19 z.B. jeweils mit seiner Längsachse A in X- Richtung ausgerichtet anzuordnen, derart, dass an einer z.B. Stirnseite 27 des Abgasrückkühlers 19 angeordnete Anschlüsse 19a für die Abgasversorgung bzw. Abgasabgabe jeweils in Richtung zur Kraft- bzw. Kraftgegenseite angeordnet sind, vorzugsweise z.B. in Richtung zur Kraftgegenseite. Ferner ist zu demselben Zweck vorgesehen, den Zwischenladeluftkühler 13 z.B. jeweils derart anzuordnen, dass je z.B. an einer Stirnseite 28 angeordnete Anschlüsse 13a für einen Hoch- bzw. Niederdruckverdichter 11 bzw. 10 um 90 Grad versetzt zur X- und Z-Richtung angeordnet sind (Y-Richtung).
Ferner sieht die Erfindung zur Realisierung eines äußerst kompakten, e- missionsarmen V-Motors 1 vor, einen Hauptladeluftkühler 14, insbesondere z.B. genau einen Hauptladeluftkühler 14, zwischen der ersten 2 und der zweiten 3 Zylinderbank anzuordnen, z.B. zwischen den Schenkeln des V in der durch die Zylinderbänke 2, 3 gebildeten V-Form. Der Hauptladeluftkühler 14 ist insbesondere zwischen den Abgasrückkühlern 19 der ersten und der zweiten Zylinderbank angeordnet, also in Richtung von der ersten Zylinderbank 2 zur zweiten Zylinderbank 3 zwischen den Abgasrückkühlern 19 (Y-Richtung). Wiederum zum Zwecke einer kompakten Motoranordnung des V-Motors 1 sind Ladeluft- ein- und auslässe 14a des Hauptladeluftkühlers 14 z.B. ebenfalls in X-Richtung angeordnet, so dass der Hauptladeluftkühler 14 z.B. von der Kraftseite 20 her anströmbar ist, eine Ladeluftabfuhr z.B. in Richtung Kraftgegenseite 26 erfolgt. Somit können Leitungselemente für die Ladeluftführung ebenfalls zwischen den Zylinderbänken 2, 3 und somit im Sinne einer klein bauenden Anordnung angeordnet werden.
Erfindungsgemäß ist zur Mischung bzw. Beimengung des mittels je der Abgasrückführung 18 rückgeführten Abgases mit dem bzw. in den Ladeluftstrom 12, bzw. 15, 16 (z.B. bis zu 60% des gesamten Abgases) stromabwärts des Hauptladeluftkühlers 14 z.B. ein Mischerelement z. B. in Form eines Mischergehäuses 29, z.B. genau eines Mischergehäuses 29, vorgesehen. Ein solches Mischergehäuse 29 erlaubt die geordnete Zudosierung bzw. Mischung des Abgases 17 mit der verdichteten Ladeluft. Das Mischergehäuse 29 ist z.B. an einer den Abgasturboladern 4, 5, 6, 7 abgewandten Seite, z.B. einer (kraftgegenseitigen) Stirnseite 30, des Hauptladeluftkühlers 14 angeordnet, z.B. e- benfalls zwischen den Schenkeln der V-Form bzw. erster 2 und zweiter 3 Zylinderbank. Das Mischergehäuse 29 ist z.B. weiterhin dazu vorgesehen, den am Hauptladeluftkühler 14 zusammengeführten Ladeluftstrom 12 zur Bildung des ersten 15 und zweiten 16 Ladeluftstroms für je eine Zylinderbank 2, 3 zu teilen. Das Mischergehäuse 29 ist zum Beispiel derart angeordnet, dass dessen Anschlüsse 29a zur Anströmung bzw. Ladeluftabgabe im Wesentlichen in X- Richtung ausgerichtet sind, wobei die Anschlüsse zur Ladeluftabgabe z.B. in Richtung Kraftgegenseite ausgerichtet sind.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung der zur Aufladung bzw. von zur Emissionsreduzierung vorgesehenen Komponenten, kann ein äußerst kompakter V-Motor 1 realisiert werden. Z.B. kann eine Bauform realisiert werden, bei der das Verhältnis von Motorlänge in X-Richtung mit stirnseitig angeordneten Abgasturboladern 4, 5, 6, 7 zur Länge des Grundmotors L kleiner als der Faktor 1 ,4 ist (Fig. 4). Dabei ist die Anordnung der Abgasturbolader 4, 5, 6, 7 und/oder der Abgasrückkühler 19 und/oder der Zwischenladeluftkühler 13 und/oder des Hauptladeluftkühlers 14 symmetrisch zu einer Mittelachse B des V-Motors 1 in X-Richtung vorgesehen. Dabei liegen sich z.B. je zwei Abgasrückkühler 19, je zwei Zwischenladeluftkühler 13 und/oder je zwei Abgasturbolader 4, 5 bzw. 6, 7 entlang der Achse B gegenüber.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Abgasturbolader 4, 5, 6, 7 stirnseitig an den Zylinderbänken 2, 3 oberhalb des Hauptabtriebselements 23 des V-Motors 1 , kann eine Beeinträchtigung der Funktionalität und der Zugänglichkeit des Hauptabtriebselements 23 vermieden werden, insofern als sich das Hauptabtriebselement 23 und die Abgasturbolader 4, 5, 6, 7 in Y-Richtung und Z-Richtung nicht überlappen.

Claims

Patentansprüche
1. V-Motor (1), insbesondere ein Dieselmotor, mit einer ersten (2) und einer zweiten (3) Zylinderbank, wobei der V-Motor (1) zur zweistufigen Aufladung mittels eines Niederdruckabgasturboladers (4, 5) sowie eines Hochdruckabgasturboladers (6, 7) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass je ein Niederdruckabgasturbolader (4, 5) sowie je ein Hochdruckabgasturbolader (6, 7) stirnseitig je an einer Zylinderbank (2, 3) über einem Hauptabtriebselement (23) des V-Motors (1) angeordnet ist.
2. V-Motor (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der V-Motor (1) in einem ersten (8) und einem zweiten Ladeluftstrang (9) zur Führung eines Ladeluftstroms (12) jeweils in Strömungsrichtung einen Niederdruckverdichter (10), einen Zwischenladeluftkühler (13) sowie einen Hochdruckverdichter (11) aufweist, wobei je ein Niederdruckverdichter (10) je in einem Niederdruckabgasturbolader (4, 5) und je ein Hochdruckverdichter (11) je in einem Hochdruckabgasturbolader (6, 7) angeordnet ist, und wobei der erste (8) und der zweite (9) Ladeluftstrang an einen Hauptladeluftkühler (14) zusammengeführt sind, wobei je ein Ladeluftstrom (12, 15, 16) stromabwärts des Hauptladeluftkühlers (14) an die erste (2) und zweite (3) Zylinderbank geführt wird, und wobei je eine Abgasrückführung (18) mit je einem Abgasrückkühler (19) je Zylinderbank (2, 3) vorgesehen ist, mittels welcher gekühltes Abgas (17) der jeweiligen Zylinderbank (2, 3) in den Ladeluftstrom (12, 15, 16) zur jeweiligen Zylinderbank (2, 3) stromabwärts des Hauptladeluftkühlers (14) einbringbar ist.
3. V-Motor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der V- Motor (1) je Zylinderbank (2, 3) einen über einem Zylinderkopf (25) angeordneten Abgasrückkühler (19) aufweist.
4. V-Motor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder Zylinderbank (2, 3) ein Zwischenladeluftkühler (13) vorgesehen ist, welcher zwischen je einem an der jeweiligen Zylinderbank (2, 3) angeordne- ten Abgasrückkühler (19) und den stirnseitig angeordneten Niederdruck- und Hochdruckabgasturboladern (4, 5, 6, 7, ) der Zylinderbank (2, 3) angeordnet ist.
5. V-Motor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hauptladeluftkühler (14) zwischen den über einem Zylinderkopf (25) je einer Zylinderbank (2, 3) angeordneten Abgasrückkühlern (19) angeordnet ist, insbesondere zwischen den Schenkeln der V-Form des V-Motors (1) angeordnet ist.
6. V-Motor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Abgas (17) von je einer Zylinderbank (2, 3) mittels eines Mischerelements (29) in einen Ladeluftstrom (12, 15, 16) stromabwärts des Hauptladeluftkühlers (14) eingebracht wird.
7. V-Motor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischerelement (29) an einer dem Hauptabtriebselement (23) abgewandten Stirnseite (30) des Hauptladeluftkühlers (14) angeordnet ist.
8. V-Motor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückkühler (19) und/oder die Hochdruckabgasturbolader (6, 7) und/oder die Niederdruckabgasturbolader (4, 5) und/oder der Hauptladeluftkühler (14) und/oder die Zwischenladeluftkühler (13) symmetrisch zu einer Mittelachse B des V-Motors (1) angeordnet sind.
9. V-Motor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckabgasturbolader (4, 5) sowie die Hochdruckabgasturbolader (6, 7) an einer Kraftseite (20) des V-Motors (1) angeordnet sind.
10. V-Motor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckverdichter (10) des ersten (4) und zweiten (5) Niederdruckabgasturboladers mittels eines dazwischen angeordneten Ansauggehäuses (21) verbunden sind.
11. V-Motor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass je ein Niederdruckabgasturbolader (4, 5) mit je einem Hochdruckabgasturbolader (6, 7) in Reihe geschaltet an je einer Zylinderbank (2, 3) angeordnet ist.
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